论述螺距误差补偿机理

论述螺距误差补偿机理
摘要：本文主要介绍了数控机床螺距误差产生的原因、螺距误差硬件方法补偿原理、软件方法补偿原理（单向误差补偿和双向误差补偿）以及螺距误差补偿过程。

关键词：数控机床；螺距误差产生原因；螺距误差补偿原理；螺距误差补偿过程；单向误差补偿；双向误差补偿；
1 螺距误差产生的原因
数控机床大都采用滚珠丝杠作为机械传动部件，电机带动滚珠丝杠，将电机的旋转运动转换为直线运动。

如果滚珠丝杠没有螺距误差，则滚珠丝杠转过的角度与对应的直线位移存在线性关系。

实际上，由于制造误差和装配误差始终存在,难以达到理想的螺距精度，存在螺距误差，其反映在直线位移上也存在一定的误差，降低了机床的加工精度[1]。

数控机床的螺距误差产生原因如下[2]：
1、滚珠丝杠副处在进给系统传动链的末级。

由于丝杠和螺母存在各种误差，如螺距累积误差、螺纹滚道型面误差、直径尺寸误差等(其中最主要的是丝杠的螺距累积误差造成的机床目标值偏差)；
2.滚珠丝杠的装配过程中，由于采用了双支撑结，使丝杠轴向拉长，造成丝杠螺距误差增加，产生机床目标值偏差；
3.机床装配过程中，由于丝杠轴线与机床导轨平行度的误差引起的机床目标值偏差。

螺距误差补偿是将机床实际移动的距离与指令移动的距离之差，
通过调整数控系统的参数增减指令值的脉冲数，实现机床实际移动距离与指令值相接近，以提高机床的定位精度。

螺距误差补偿只对机床补偿段起作用，在数控系统允许的范围内补偿将起到补偿作用。

利用数控系统提供的螺距误差补偿功能，可以对螺距误差进行补偿和修正，达到提高加工精度的目的。

另外，数控机床经长时间使用后，由于磨损等原因造成精度下降，通过对机床进行周期检定和误差补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。

2 螺距误差补偿的方法描述
对螺距误差进行补偿时，在机床的运行轨道上取若干点，通过激光干涉仪测得机床的实际定位位置，与预期设定的位置进行比较，得出偏移距离，并将其写入补偿文件中。

选取的点越多，补偿精度越高。

机床在下次运行时，将会把补偿文件的数据也计算在内，从而达到精度要求。

数控系统中设置螺距误差补偿需要NCK(numer- iccontrol kernel) 的支持，目前可针对某个点把它的补偿值写入NCK补偿文件。

机械零件程序运行时自动地读取相应补偿文件中各点的补偿数据，并进行相应的调整，随之产生对应的机械位置变化[1]。

安装调整激光干涉仪[3]:
把三脚架和云台安放到合适位置；把ML10 激光器安装在三脚架云台上；把EC10 环境补偿器和计算机摆放在桌面上合适位置上；将PCM10 控制接口卡的输出端口和计算机的输入端口用数据线连接；将EC10 环境补偿器的输出端口和PCM10 控制接口卡的输入端
口用数据线连接；将ML10 激光器的输出端口和PCM10 控制接口卡的输入端口用数据线连接；将空气传感器和材料传感器连接到EC10 环境补偿器上，然后将传感器安放到机床的合适位置上；打开境补偿器和激光头组件的电源开关；打开计算机，启动Laser10 软件，检查输入信号；旋转ML10 激光器的光闸，使激光器发出较小的光束；把光学镜组安装到机床工作台合适位置，并用磁性标准固定；把光靶安放在反射镜前端，白点朝上；根据激光束的位置调整反射境的位置，使激光束和光靶上的白点高度一致；调整激光器侧面的水平角度偏转旋钮使激光束对准光靶上的白点；在手动方式下移动机床的工作台，使反射镜移到离激光器最远处；调整激光器后面的垂直角度偏转旋钮使激光束和光靶上的白点高度一致；调整激光器侧面的水平角度偏转旋钮使激光束对准光靶上的白点；在手动方式下移动机床的工作台，使反射镜移到离激光器最近处，确保激光束对准光靶上的白点。

安装好的激光干涉仪如图1 所示。

用激光干涉仪测量数控机床某轴的滚珠丝杠螺距误差的原理图如图2：
以数控机床纵向（X轴）进给丝杠为例，设：X表示数控装置发出的X轴进给坐标值，X n表示数控机床某轴滚珠丝杠的全行程上选取的各指令位置点的坐标值，ΔX n表示用激光干涉仪测得的各指令
位置点的螺距误差[4]。

=1X =∆1X
=2X =∆2X
=3X =∆3X
=n X =∆n X
将上述测量值以表格的形式存储在数控装置RAM 区内的存储单元中。

丝杠螺距误差补偿的程序如图3：
3 螺距误差补偿原理
3.1 硬件方法补偿滚珠丝杠螺距误差的原理[4]
过去，在开环数控机床中,经常采用硬件方法对丝杠螺距误差进行补偿，即采用机械方法测出数控机床某一轴滚珠丝杠在全行程上的误差分布曲线，在丝杠的螺距累积误差值达到一个脉冲当量处的位置点安装一个挡块，当机床工作台移动时,安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次,就发出一个误差补偿信号，通过控制电路指示步进电机多走或少走一步。

这种断续的脉冲补偿方法给数控机床的工作台增加了一些机械构件(如补偿杆、挡块等)和电路(如将微动开关发出的补偿信号传送给数控装置的电路)。

另外，这种补偿方法比较适用于采用脉冲增量插补方法、步进电机驱动的开环数控机床，而对于采用数据采样插补方法、直流或交流伺服电机驱动的半闭环数控机床，则不适宜。

因此,目前,大多数数控机床补偿滚珠丝杠的螺距误差时均采用软件的方法。

3.2 软件方法螺距误差补偿原理[4]
采用定点的脉冲补偿方法可修正螺距误差，提高定位精度。

其原理是在各坐标轴上设定一些坐标点，当机床经这些点时，数控系统根据事先测定的补偿值进行补偿。

补偿所需参数如：①各补偿轴起、终点机床坐标（以机床零点为基准）；②补偿间隔或等分段数；③每段补偿间隔对应补偿值。

将测出的误差值输入到螺距补偿误差表中。

当工作台移动时，系统根据当前位置和指令位置在螺距补偿误差表中计算出实际的补偿值，对指令位置进行补偿，产生实际输出值控制伺服电机。

如图4所示，数控系统以机床零点为基准，在不同的指令位置，按补偿表中的误差值进行补偿。

数控系统在每段数据插补过程中均进行误差补偿，以获得最高精度。

实现过程和步骤如下[5]：
1、在数控机床上正确安装高精度位移测量装置；
2、在整个行程上, 每隔一定距离取一个位置点作为补偿点；
3、记录运动到补偿点的实际精确位置；
4、将各点处的误差标出, 形成在不同的指令位置处的误差表；
5、多次测量, 取平均值；
6、依“补偿值=数控命令值-实际位置值”的公式计算各点的螺距误差,并将各点处的误差标出,形成在不同指令位置处的误差表,并将该表输入数控系统, 系统按此表进行补偿。

3.3 单向螺距误差补偿( EEC)[1]
EEC的原理是从起点到终点这个方向，在起点与终点之间等份若干点，如图5所示，刀具在丝杠上的运动轨迹是先从起点运动，依次
经过各个等份点，到达终点。

EEC补偿只对从起点到终点这个方向生效。

当运动到某一个等份点时，根据刀具实际移动的距离与预期的距离的偏差，计算出该点的补偿值。

例如，以图5中10这个点为例，预期希望刀具从0点能够运动到10点，其间移动距离为10mm。

但是由于丝杠的误差，实际运动的距离是9mm，偏差为10－9=1mm，那么10这个点的补偿值就是1mm; 如果其间实际移动距离为11mm，偏差为10－11=－1mm，那么10这个点的补偿值就－1mm。

其他各点的螺距误差补偿同理实现。

3.4 双向螺距误差补偿(CEC)[1]
CEC的原理支持两个方向，即从起点到终点方向和从终点返回到起点方向，如图6所示。

规定从起点到终点方向为正方向，从终点到起点方向为负方向。

刀具在丝杠上的运动轨迹是先从起点运动，依次经过各个等份点，到达终点;然后再从终点按原路返回到起点，逆向依次经过各个等份点，直至起点。

CEC补偿在两个方向上生效，分别计算每个方向上当运动到某一个等份点时，根据运动实际移动的距离与预期的距离的偏差计算出该点的补偿值。

注意正向与负向的方
向性。

同一个点在两个方向上补偿不同。

以图6中10点为例。

当刀具从起点向终点运动即正方向，途中经过10点;假如从0点向10点实际移动了9mm，与预期移动距离10的偏差是10－9=1mm，那么10这个点在正方向上的补偿是1mm。

当刀具从终点向起点反向运动，途中反向地经过10点;假如从20点向10点实际移动了9mm，与预期移动距离10的偏差是10－9 =1mm，但是由于从终点到起点是反方向，所以10点在反方向上的补偿是－1mm; 假如实际移动距离为11mm，与预期移动距离10的偏差是10－11=－1mm，但是由于从终点到起点是反方向，所以10这个点在反方向上的补偿是1mm其他各点正方向和反方向上的补偿依此类推。

参考文献
[1]陈刚，羌铃铃.数控系统中螺距补偿的原理与设计[J].机械制造,2015,44(1):25-28.
[2]赵毅忠.定点式双向螺距补偿法及在数控系统中应用[J].先进制造与管理,2007,26(2):30-31.
[3]王祥祯,郭文星.华中数控系统双向螺距误差补偿在数控铣床上的运用[J].应用科技,2012:52-53.
[4]王宏涛,赵转萍等.滚珠丝杠螺距误差补偿法提高数控机床定位精度的研究[J].航空精密制造技术,2001,5(37):2-4.
[5]刘朝华,戴怡,石秀敏.SINUMERIK810D/840D数控系统螺距误差补偿技术研究[J].2009,4(37):34-37.。